CERNのLHCb実験、100億回に1回の粒子崩壊の証拠を検出

欧州合同原子核研究機関（CERN）のLHCb実験で、約100億回の崩壊に1回しか起こらないと予測される粒子崩壊の証拠が得られました。単独の実験データで証拠の基準に達したのは、40年以上にわたる探索で初めてです。この崩壊を精密に測ることで、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で直接生成できないほど重い未知の粒子の影響を探れる可能性があります。

B_d粒子がミューオン2個に変わる過程

対象は、ビューティークォークとダウン反クォークを含む「B_d」という粒子が、ミューオンとその反粒子に変わる「B_d→μ⁺μ⁻」という崩壊です。ミューオンは電子に似た性質を持ち、電子より質量が大きい粒子です。今回の結果は、基本粒子とその相互作用を記述する理論「標準模型」の予測と整合しています。

関連する「B_s→μ⁺μ⁻」は、およそ10億回の崩壊に3回の頻度で起こります。B_dの崩壊は、それよりさらに約30倍起こりにくいと予測されています。今回と同じ解析では、B_sの崩壊についても、これまでで最も精密な測定が行われました。

過去のデータを合わせて有意度3.2に到達

粒子物理学では、信号が統計的な揺らぎで生じた可能性を評価するため、「標準偏差」を単位とする統計的有意度を使います。新しい現象の証拠とする一般的な基準は3標準偏差で、同程度以上の信号が偶然に現れる確率は約0.3％です。

LHCbが2024〜2025年に集めたデータでは、B_dの崩壊の有意度は3.0標準偏差でした。そこに2011〜2018年のデータを組み合わせると、3.2標準偏差に達しました。

この崩壊をめぐっては、2015年にLHCbと、LHCの別の実験であるCMSの共同解析が、B_sの崩壊の初観測とともにB_dの崩壊の初期的な証拠を示していました。しかし、2018年までのデータを使った後続の解析では、B_dの証拠は再確認されませんでした。今後は、観測を確定する基準である5標準偏差への到達を目指します。達成すれば、観測されたビューティー粒子の崩壊として最もまれなものになります。

検出器の改修とソフトウェアによる選別

LHCbの大型改修により、2024年には2010〜2018年の5倍の速度でデータを収集できるようになりました。粒子の種類を識別する能力も向上し、機械学習と組み合わせて、目的の信号を覆い隠す大量の別の反応を取り除きました。

改修では、粒子の飛跡を測る検出器が、より細かく粒子を捉えられるものに置き換えられました。新たなピクセル検出器やシリコン飛跡検出器、シンチレーション光を使う光ファイバー型の飛跡検出器に加え、検出器全体の読み出し電子回路も更新されました。

衝突のうち保存すべきものを選ぶ「トリガー」も、専用ハードウェアを使う方式から、全面的にソフトウェアを使う方式へ移行しました。従来のハードウェアには処理頻度の上限がありましたが、ソフトウェア方式では、粒子の飛跡や発生位置などを組み合わせて選別します。

選別は2段階です。第1段階では、並列計算に適したGPUを使って衝突の一部を再構成し、データ量を減らします。第2段階ではCPUでより詳しく再構成し、粒子の識別などを含めて保存対象を決めます。

まれな崩壊を通じて未知の粒子を探る

B_dやB_sがミューオン対へ崩壊する確率は、標準模型に含まれる複数の抑制機構によって小さくなります。一方、標準模型を拡張する理論では、同じ抑制が必ず働くとは限らず、未知の相互作用が崩壊確率に影響を与える可能性があります。

このようなまれな崩壊による探索は、新粒子を衝突で直接生成する探索とは異なり、既知の粒子の崩壊に残る影響を調べます。量子効果を通じて、LHCで直接生成できる質量の範囲を超えた粒子も、崩壊過程に影響し得ます。B_dの崩壊の精密な測定と標準模型の予測との比較は、未知の粒子が取り得る性質を絞り込む手段です。

2030年以降の改修で測定データを増やす計画

高輝度LHC「HiLumi LHC」は2030年に運転を始める予定で、LHCbにも2030年代半ばの追加改修が計画されています。これらにより、データ収集速度はさらに10倍になる可能性があります。

解析共同責任者のハリー・クリフ氏は、将来のLHCb改修によって、こうした崩壊をより多く観測し、未発見の粒子に対する感度を高められると見込んでいます。より多くのデータを集めることで、B_dの崩壊の観測確定と、その性質の精密な測定を進める計画です。